JP5097111B2

JP5097111B2 - 半導体光源装置

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Publication number: JP5097111B2
Application number: JP2008517796A
Authority: JP
Inventors: 大助上田; 正昭油利; 勝己杉浦; 賢一松田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2012-12-12
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Description

本発明は、光ピックアップ装置又は固体照明装置等に用いられる窒化物半導体発光装置、特に、窒化物半導体レーザ素子又は窒化物半導体発光ダイオードを備えた半導体光源装置及び発光素子駆動回路に関する。

光ディスクの再生及び記録に用いられる光ピックアップ装置に搭載される半導体レーザ素子は、その発振波長が短いほど光ディスクの記録密度を高められることから、青色から紫色の波長で発振する窒化物半導体レーザ素子の開発が進められ、これを用いた光ピックアップ装置が実用に供せられるようになってきている。また、紫外域で発振する窒化物半導体レーザ素子は、紫外光で蛍光体を励起する固体照明装置への応用が考えられ、このような固体照明装置は蛍光灯に取って代わることが期待されている。一方、窒化物半導体よりなる発光ダイオードは、青色又は白色の発光ダイオードとして利用されている。

窒化物半導体発光ダイオード及び窒化物半導体レーザ素子の開発史を振り返ると、窒化物半導体は、低抵抗なｐ型結晶を得るのが難しいという大きな課題があった。窒化ガリウム（ＧａＮ）を始めとする窒化物半導体は格子欠陥が非常に多い半導体材料であり、さらに不純物を添加しない状態では結晶中に生じた窒素の空孔によりｎ型の導電性を示すことが知られていた。また、ｐ型不純物を窒化物半導体に添加しても高抵抗なｉ型にしかならず、低抵抗なｐ型結晶を得るのは難しかった。

これに対し、ｐ型不純物を添加した窒化物半導体を熱処理することによってｐ型半導体とする技術が開発された（例えば、特許文献１を参照。）。この技術は、半導体中に混入された水素（Ｈ）がｐ型不純物であるマグネシウム（Ｍｇ）と結合し、Ｍｇがアクセプタとして機能せずに高抵抗となるという推察に基づいており、Ｍｇを添加した窒化ガリウム（ＧａＮ）を熱処理することによって水素（Ｈ）を除去し、Ｍｇを正常なアクセプタとして作用させることにより低抵抗なｐ型窒化ガリウムを得ている。この技術が発表されてからは、種々の研究機関によってｐ型窒化物半導体を得るための活性化熱処理技術が研究されるようになった。

しかしながら、活性化熱処理技術を用いても、ｐ型窒化物半導体から完全に水素（Ｈ）を除去することは困難であり、窒化物半導体層中に残留する残留水素を金属水素化物層によって引き寄せ、マグネシウム（Ｍｇ）の活性化を促進する技術が開発された（例えば、特許文献２を参照。）。この技術は、特に、オーミック電極を形成するｐ型コンタクト層のキャリア濃度を高めることを目的としており、窒化物半導体よりなるｐ型コンタクト層と電極との間に金属水素化物層を介在させる構成を採る。この金属水素化物層によりＭｇの活性化が促進されて、コンタクト層として十分に高いキャリア濃度を得られるため、接触抵抗が極めて小さいオーミック接触を実現できる。但し、特許文献２の発明者自らが、この技術によって形成されたオーミック接触には経時的安定性に課題があると述べており、その解決策として水素吸収金属を堆積した後に除去し、再度電極を形成するという技術を開示している（例えば、特許文献３を参照。）。

以上、ｐ型窒化物半導体の形成方法及びコンタクト層として用いた場合の信頼性に関する背景技術を説明したが、次に、窒化物半導体レーザ素子の信頼性試験に関する背景技術を説明する。窒化物半導体レーザ素子に対して寿命試験を行い、その劣化機構を検討した結果が報告されている（例えば、非特許文献１を参照。）。この窒化物半導体レーザ素子は、図１１に示す構造を有している。

図１１に示すように、サファイア基板１１０１の上に、ＥＬＯ（epitaxial lateral overgrowth）技術によって、ｎ型ＧａＮよりなるバッファ層１１０２を成長する。続いて、形成されたバッファ層１１０２の上に、ｎ型ＡｌＧａＮよりなるクラッド層１１０３、ｎ型ＧａＮよりなるガイド層１１０４、多重量子井戸活性層１１０５、ｐ型ＡｌＧａＮよりなるオーバーフロー抑制層１１０６、ｐ型ＧａＮよりなるガイド層１１０７、ｐ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮよりなる超格子クラッド層１１０８及びｐ型ＧａＮよりなるコンタクト層１１０９を順次積層してレーザ構造を得る。

コンタクト層１１０９及び超格子クラッド層１１０８は、図面の前後方向に延びるストライプ状のリッジ構造となるようにエッチングによりパターニングされており、リッジ構造の上には、開口部を有する絶縁膜１１１０及びＰｄ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜よりなるｐ側電極１１１１が形成されている。また、バッファ層１１０２のエッチングにより露出された領域には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層膜よりなるｎ側電極１１１２が形成されている。

非特許文献１は、寿命が長いレーザ素子と短いレーザ素子とについて互いの転位密度を比較している。その結果、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系又は燐化インジウム（ＩｎＰ）系のレーザ素子の劣化機構として周知である、貫通転位からの転位増殖、又は貫通転位の構造変化は認められないとしている。また、劣化率がエージング時間の平方根に比例することから、拡散プロセスによって劣化が進行していると推測している。さらに、欠陥が転位に沿って拡散していき、活性層に到達することにより劣化が生じると結論付けている。
特開平５−１８３１８９号公報特開平８−３２１１５号公報特開２００２−７５９１０号公報特開２００４−３２００２４号公報アイイーイーイー・ジャーナル・オブ・セレクティド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス誌、１０巻、６号、１２７７頁〜１２８６頁（S. Tomiya et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 10, pp. 1277-1286, Nov/Dec 2004）

本発明が解決しようとする課題は、広くいえば窒化物半導体発光素子の寿命を延ばすことにある。窒化物半導体レーザ素子を用いた光ピックアップ装置は実用に供せられるようにはなったものの、その寿命はＡｌＧａＡｓ系又はＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザ素子と比べて短い。今後、より高速の再生動作及び記録動作を行える光ピックアップ装置を実現するためには、窒化物半導体レーザ素子の高出力化が必要であり、高出力にすればする程、その寿命は短くなる傾向にある。

また、窒化物半導体発光素子の固体照明装置への応用を考えた場合にも、窒化物半導体レーザ素子の長寿命化は不可欠である。さらに、窒化物半導体発光ダイオードについても、特に白色照明等に要求される高輝度化での利用を考えると、長寿命化が必須であるという課題がある。

本発明が解決しようとする課題は、具体的には、上記の背景技術に記載したような従来からいわれてきた劣化機構とは異なる窒化物半導体発光素子の劣化機構に対して、その進行を遅らせるということである。但し、この劣化機構は、本願発明者らの推測であり、事実関係から言えば、本願発明者らは窒化物半導体発光素子の劣化を遅れさせる駆動方法を見い出したものの、この効果を奏する理由として新たな劣化機構を推定したということである。この劣化機構は、ｐ型窒化物半導体の形成方法、特にｐ型窒化物半導体層に残留する水素原子に関係していると推察される。この推察の詳細は、発明を実施するための最良の形態（第１の実施形態）において述べるが、以下に簡単に説明する。

活性化熱処理技術を用いても、ｐ型窒化物半導体から完全に水素（Ｈ）を除去することは困難であることは上述した通りである。この残留水素は例えばマグネシウム（Ｍｇ）と結合しており、熱処理等を行わない限りその位置は固定されているものと認識されてきた。しかしながら、本願発明者らは、種々の実験により、窒化物半導体発光素子を通電駆動している間にも残留水素が移動するという結論を導き出している。すなわち、室温状態であってもその熱エネルギーによって、又はレーザ光による光励起によって、マグネシウム（Ｍｇ）と水素（Ｈ）との多数の結合のうちの一部が解離し、解離した水素イオン（Ｈ^＋）が発光素子を駆動するバイアス電圧及び電流によって泳動し、泳動した先で再度Ｍｇと結合するという現象が生じると推定される。この通電駆動による水素イオンの移動という現象が、窒化物半導体発光素子に生じる固有で且つ新たな劣化機構である。

上記の目的を達成するため、本発明は、半導体光源装置及び発光素子駆動回路を、窒化物半導体よりなる発光素子に対して順方向駆動動作のみならず逆方向駆動動作を行わせる構成とする。

具体的に、本発明に係る第１の半導体光源装置は、窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子を駆動する駆動回路とを備え、駆動回路は、半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動動作と、半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、逆方向駆動動作を行う逆方向駆動期間は、順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に設けられている。

第１の半導体光源装置によると、通常の順方向駆動動作で移動した水素を、順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に行う逆方向駆動動作によって元の位置にまで戻すことができる。また、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを高速で切り換えることにより、水素の移動を抑制することができる。これにより、水素の移動による窒化物半導体レーザ素子の劣化が抑制されるため、長寿命化を実現できる。

第１の半導体光源装置において、逆方向バイアスの大きさは、半導体レーザ素子に流れる逆方向電流値によって制限されることが好ましい。

このようにすると、半導体レーザ素子に印加される逆方向バイアスの値が過大になることを防ぐことができるため、逆方向バイアスを印加することにより、逆に半導体レーザ素子を劣化又は破壊させてしまうというおそれがなくなる。

第１の半導体光源装置において、複数の半導体層は、活性層と水素原子を含有するｐ型クラッド層とを含むことが好ましい。

本願発明者らの知見によると、順方向駆動によってｐ型クラッド層に含まれる水素が活性層の近傍に移動して、活性層の近傍に位置するｐ型クラッド層のキャリア濃度が低下することにより、活性層の近傍での発熱量が増える。また、活性層とｐ型クラッド層との界面において電子の閉じ込め効果が低下して、電子のオーバーフロー量が増大する。このような水素の移動による窒化物半導体レーザ素子の劣化が、本発明に係る逆方向駆動を行うことによって抑制される。

この場合に、活性層とｐ型クラッド層との間には、活性層からのキャリアのオーバーフローを抑制するオーバーフロー抑制層が設けられていることが好ましい。

さらに、この場合に、ｐ型クラッド層及びオーバーフロー抑制層にはマグネシウム（Ｍｇ）が添加されていることが好ましい。

オーバーフロー抑制層は、一般にキャリア（電子）の閉じ込め効果を高める層であり、水素がオーバーフロー抑制層にまで移動すると、オーバフロー抑制層のキャリア濃度が低下して、オーバーフローの抑制効果が低減する。なお、水素と結合することによって活性化率が低下するという現象は他のｐ型不純物でも認められはするが、活性化率の低下はＭｇの場合に最も著しい。従って、逆方向駆動を行うことにより、水素の移動による劣化を抑制する効果は、Ｍｇが添加されたｐ型半導体を含む窒化物半導体レーザ素子においてより顕著となる。

第１の半導体光源装置は、半導体レーザ素子から出射され、光ディスクによって反射されたレーザ光を受光する受光素子をさらに備え、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換える切り換え周期は、光ディスク上に記録されたデータに対応して受光素子によって検出される再生信号の周期よりも短いことが好ましい。

このようにすると、第１の半導体光源装置が光ピックアップ装置である場合に、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とが高い周波数で切り換えられることになる。すなわち、光ディスクからの再生信号よりも十分に短い周期で切り換えを行い、その平均出力により再生動作を行う。これにより、半導体レーザ素子の劣化が抑制されるのみならず、高周波の重畳による半導体レーザ素子の低雑音化という効果をも得ることができる。

また、第１の半導体光源装置は、半導体レーザ素子から出射され、光ディスクによって反射されたレーザ光を受光する受光素子をさらに備え、光ディスク上に記録するデータに対応して順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換えることにより、光ディスク上にデータを記録することが好ましい。

このように、第１の半導体光源装置が光ピックアップ装置である場合に、従来の記録動作においては、順方向駆動動作を断続的に行うものの、逆方向駆動動作は行わない。しかし、本発明においては、順方向駆動動作を行わない期間に逆方向駆動動作を行うことにより、半導体レーザ素子の劣化が抑制される。一般に、記録時は再生時よりも高い出力パワー（電力）で半導体レーザ素子を駆動することから、記録期間中に逆方向駆動動作を行うことは、劣化の抑制により効果的である。

また、第１の半導体光源装置は、半導体レーザ素子から出射され、光ディスクによって反射されたレーザ光を受光する受光素子をさらに備え、光ディスク上に記録されたデータを再生する期間及び光ディスク上に他のデータを記録する期間以外の期間に、逆方向駆動動作を行うことが好ましい。

このように、第１の半導体光源装置が光ピックアップ装置である場合に、光ピックアップ装置が再生動作及び記録動作をしていない期間に逆方向駆動を行う。光ピックアップ装置の一般的な使用方法として、再生及び記録を行う期間は限られており、これ以外の期間に逆方向駆動動作を行えば、水素の移動を十分に時間をかけて回復することができる。

また、第１の半導体光源装置は、半導体レーザ素子を加熱する加熱器をさらに備え、レーザオフ期間内には、加熱器によって半導体レーザ素子が加熱される加熱期間が設けられ、加熱期間と逆方向駆動期間とは互いに重なり合うことが好ましい。

ここで、マグネシウムと水素との解離にレーザ光による励起が寄与しているとすると、逆方向駆動動作時にはレーザ光が存在しないため、マグネシウムと水素との解離が生じにくくなる。これを補償するために、逆方向駆動動作時に半導体レーザ素子を加熱すれば熱エネルギーによる解離が促進されるため、水素を元の位置に移動させる効果を高めることができる。

また、第１の半導体光源装置は、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光によって励起される蛍光体をさらに備え、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換える切り換え周波数は、電灯線の商用周波数以上であることが好ましい。

このように、第１の半導体光源装置が固体照明装置である場合に、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを電灯線の商用周波数以上の周波数で切り換えると、平均出力による照明動作となる。そこで、駆動動作の切り換え周波数を電灯線の商用周波数としておけば、照明動作時のちらつきは蛍光灯と同程度に収まる。また、商用周波数よりも十分に高い周波数で切り換える場合には、ちらつきがない照明動作とすることも可能である。

また、第１の半導体光源装置は、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光によって励起される蛍光体をさらに備え、蛍光体からの発光を利用する期間以外の期間に、逆方向駆動動作を行うことが好ましい。

このように、第１の半導体光源装置が固体照明装置である場合に、照明が点灯していない期間に逆方向駆動を行う。例えば、照明は一般に昼間は消灯していることが多く、この消灯している間に逆方向駆動動作を行えば、水素の移動を十分に時間をかけて回復することができる。

本発明に係る第１の発光素子駆動回路は、窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子を駆動する発光素子駆動回路を対象とし、半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動回路と、半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動回路と、順方向駆動回路と逆方向駆動回路とを切り換えて半導体レーザ素子に接続するスイッチ回路とを備えている。

第１の発光素子駆動回路は、本発明に係る半導体光源装置に含まれる駆動回路である。本発光素子駆動回路は、半導体レーザ素子と組み合わせて使用することにより、本発明の作用及び効果を奏する。従って、駆動回路のみでも製品として存在し得る。

本発明に係る第２の半導体光源装置は、窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する発光素子と、発光素子を駆動する駆動回路とを備え、駆動回路は、発光素子に順方向電流を供給することにより発光素子を発光させる順方向駆動動作と、発光素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、逆方向バイアスの大きさは、発光素子に流れる逆方向電流値によって制限される。

第２の半導体光源装置によると、窒化物半導体よりなる発光素子が半導体レーザ素子の場合に限られず、発光ダイオードであっても、通常の順方向駆動動作で移動した水素を逆方向駆動動作により元の位置にまで戻すことができる。このため、水素の移動による窒化物半導体よりなる発光素子の劣化が抑制されるので、長寿命化を実現できる。

ところで、本発明の作用及び効果とは全く無関係に、窒化物半導体発光ダイオードを直列に接続し、その両端に直接に１００Ｖ又は１２０Ｖの商用交流電源を印加する、すなわち電灯線に直接に接続するという発明が、例えば、特許文献４に開示されている。この発明は、安価な半導体照明装置を実現するのが目的であり、その構成によれば、結果的に窒化物半導体発光ダイオードに逆方向電圧が印加されることになる。しかしながら、逆方向バイアスの大きさを発光素子に流れる逆方向電流値によって制限することによって、発光ダイオードの劣化又は破壊を防ぐという技術的思想は開示されておらず、この点において本発明とは異なる。

本発明に係る第２の発光素子駆動回路は、窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する発光素子を駆動する発光素子駆動回路を対象とし、発光素子に順方向電流を供給することにより、発光素子を発光させる順方向駆動回路と、発光素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動回路と、発光素子に流れる逆方向電流値を制限する定電流回路とを備えている。

第２の発光素子駆動回路は、第２の半導体光源装置に含まれる駆動回路である。本発光素子駆動回路は、発光ダイオードを含む発光素子と組み合わせて使用することにより、本発明の作用及び効果を奏する。従って、駆動回路のみでも製品として存在し得る。

本発明に係る半導体光源装置及び発光素子駆動回路によると、窒化物半導体発光素子に固有の劣化機構を抑制できるため、窒化物半導体発光素子を長寿命化することができる。具体的には、水素の移動による窒化物半導体発光素子の劣化が抑制されて、長寿命化を実現できる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体光源装置のブロック構成を示している。なお、図１に示す回路記号は、破線で囲まれた機能ブロックの役割を明確化するために用いている。

図１に示すように、第１の実施形態に係る半導体光源装置は、窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子１０１と、該半導体レーザ素子１０１を電気的に駆動する駆動回路１０２により構成されている。

駆動回路１０２は、陰極が接地された直流電圧源１０３と、一方の端子が半導体レーザ素子１０１の陰極（ｎ側電極）及び連動スイッチ対１０５と接続された第１の定電流回路１０４と、一方の端子が半導体レーザ素子１０１の陽極（ｐ側電極）及び連動スイッチ対１０５と接続された第２の定電流回路１０８とを有している。

連動スイッチ対１０５は、直流電圧源１０３の陽極と半導体レーザ素子１０１の陰極又は陽極との接続を切り換える第１のスイッチ１０６と、直流電圧源１０３の陰極と第１の定電流回路１０４又は第２の定電流回路１０８の他方の端子との接続を切り換える第２のスイッチ１０７とから構成されている。ここで、図１に示す接続状態は、半導体レーザ素子１０１に対して順方向接続となり、連動スイッチ対１０５が図１とは逆に接続されると、半導体レーザ素子１０１に対して逆方向接続となる。

連動スイッチ対１０５が順方向に接続されている期間は、半導体レーザ素子１０１には第１の定電流回路１０４で規制される順方向電流が流れるため、半導体レーザ素子１０１がレーザ発振する順方向駆動動作となる。一方、連動スイッチ対１０５が逆方向に接続されている期間は、半導体レーザ素子１０１に逆方向バイアスが印加される逆方向駆動動作となる。逆方向駆動動作は、半導体レーザ素子１０１に印加される逆方向電圧が一定となる定電圧動作であってもよく、逆方向電流が一定となる定電流動作であってもよい。ここでは、第２の定電流回路１０８により最大電流値を制限し、且つ直流電圧源１０３の電圧を最大印加電圧とする電流制限型の電圧駆動が望ましい。これにより、半導体レーザ素子１０１に印加される逆方向電圧が過大になることを防ぎ、逆方向電圧を印加することにより半導体レーザ素子１０１を劣化又は破壊させてしまうというおそれがなくなる。

なお、順方向駆動動作及び逆方向駆動動作以外にも、連動スイッチ対１０５がどちらにも接続されない状態、又は直流電圧源１０３がオフ状態であって、半導体レーザ素子１０１にバイアスが印加されない完全オフ状態が設けられていてもよい。

図２は半導体レーザ素子１０１を構成する半導体レーザチップ２０１の断面構成の一例を示している。

図２に示すように、例えば、ｎ型ＧａＮよりなる基板２０２の上に、Ｓｉが添加されたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ（厚さが１μｍ、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３）よりなるｎ型クラッド層２０３、Ｓｉが添加されたＧａＮ（厚さが１００ｎｍ、キャリア濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３）よりなる第１ガイド層２０４、それぞれ不純物が無添加のＧａ_０．９２Ｉｎ_０．０８Ｎよりなる井戸層（厚さが３ｎｍ）とＧａ_０．９８Ｉｎ_０．０２Ｎよりなる障壁層（厚さが８ｎｍ）とにより構成された多重量子井戸活性層２０５、不純物が無添加のＧａＮ（厚さが１００ｎｍ）よりなる第２ガイド層２０６、Ｍｇが添加されたＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ（厚さが１０ｎｍ、キャリア濃度が１×１０^１９ｃｍ^−３）よりなるオーバーフロー抑制層２０７、Ｍｇが添加されたＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮ超格子（厚さが５００ｎｍ）よりなるｐ型クラッド層２０８、及びＭｇが添加されたＧａＮ（厚さが６０ｎｍ、キャリア濃度１×１０^２０ｃｍ^−３）よりなるコンタクト層２０９を順次積層してレーザ構造とする。

コンタクト層２０９及びｐ型クラッド層２０８は、図面の前後方向に延びるストライプ状のリッジ構造となるようにエッチングによりパターニングされている。リッジ構造の上面を露出するようにその両側面及び両側方部分には、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）よりなる絶縁膜２１０が形成されている。露出したリッジ構造の上面及び絶縁膜２１０を覆うように、パラジウム（Ｐｄ）／白金（Ｐｔ）の積層膜よりなるｐ側電極２１１が形成されている。これにより、ｐ側電極２１１はコンタクト層２０９とはリッジ構造の上面において接触する。基板２０２におけるｎ型クラッド層２０３と反対側の面上には、チタン（Ｔｉ）／白金（Ｐｔ）／金（Ａｕ）の積層膜よりなるｎ側電極２１２が形成されている。

以上の構成を有する半導体レーザチップ２０１は、図示はしていないが所定のパッケージに実装されて、図１に示す半導体レーザ素子１０１となる。

図１に示す回路構成によって、半導体レーザ素子１０１を駆動するには、パッケージ実装において、半導体レーザチップ２０１のｐ側電極２１１とｎ側電極２１２とのいずれもがパッケージ本体（ステム）と接地されないようにする必要がある。これには、例えばダイヤモンド（Ｃ）又は窒化ホウ素（ＢＮ）等の放熱性に優れた絶縁体よりなるサブマウント材を用いる。このサブマウント材の上面及び下面にのみ金属膜を形成すれば、サブマウント材に形成された両金属膜は絶縁される。従って、上面及び下面にのみ金属膜が形成されたサブマウント材の上に、半導体レーザチップ２０１をダイボンドし、その後、ｐ側電極２１１とｎ側電極２１２とをそれぞれ直接に又はサブマウント材の上面の金属膜を介してパッケージのリードとワイヤボンドすれば、ｐ側電極２１１とｎ側電極２１２とのいずれもがパッケージ本体（ステム）と接地されない実装とすることができる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体光源装置において、本発明の順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換えて行った場合と、従来のように順方向駆動動作のみを行った場合との半導体レーザ素子１０１の動作特性の変化を示している。ここで、図３（ａ）は電流−光出力特性であり、図３（ｂ）は電流−電圧特性である。図３（ａ）及び図３（ｂ）において、エージングを開始する前の初期特性は、それぞれ初期光特性３０１及び初期電圧特性３０２である。次に、これを以下の２通りの条件でエージングを行なった。第１の条件は、本発明であって、室温で且つ光出力を１００ｍＷとして１時間の順方向駆動動作を行い、その後、最大印加電圧が１０Ｖで電流値を１０μＡとする逆方向電流による定電流駆動で１時間の逆方向駆動動作を行うというステップを繰り返し、計１０００時間のエージングを行った。第２の条件は、比較例であって、室温で且つ光出力１００ｍＷの条件で１時間の順方向駆動動作を行ない、その後、逆バイアスを印加せずに１時間放置するというステップを繰返し、計１０００時間のエージングを行った。

図３（ａ）に示すように、電流−光出力特性は、第１の条件でエージングを行うと第１光特性３０３のようになり、閾値電流がわずかに増大する。これに対し、第２の条件でエージングを行うと第２光特性３０４のようになり、閾値電流が大幅に増大する。

また、図３（ｂ）に示すように、電流−電圧特性に関しては、第１の条件でエージングを行っても初期電圧特性３０２からほとんど変化はなかった。一方、第２の条件でエージングを行なうと、第２電圧特性３０５のようになり、立ち上り電圧が若干低下した。

以上の結果から、第１の実施形態のように、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換えながら繰り返して駆動した場合は、順方向駆動動作のみを間歇的に行った場合と比べて半導体レーザ素子の劣化が抑制される結果、長寿命化を実現できることが分かる。

第１の実施形態で示したように、順方向駆動動作を行なった後、逆方向駆動動作を行うことによって上記の効果がもたらされる理由は、半導体レーザ素子１０１を構成するｐ型窒化物半導体層に含有される水素（Ｈ）の移動による劣化が抑制されるためであると推察される。

以下、図４（ａ）〜図４（ｃ）及び図５（ａ）及び図５（ｂ）を用いて、水素の移動による劣化が抑制される現象について説明する。

まず、図４（ａ）〜図４（ｃ）により、ｐ型窒化物半導体層が水素（Ｈ）の移動により劣化する機構を説明する。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、半導体レーザチップにおけるオーバーフロー抑制層４０１、ｐ型クラッド層４０２、コンタクト層４０３及びｐ側電極４０４と、各半導体層に含まれるマグネシウム（Ｍｇ）及び水素（Ｈ）を模式的に表わしている。図４（ａ）において、黒塗りの小丸４０５は水素を表わし、白抜きの大丸４０６は水素が結合したマグネシウムを表わしている。一方、ハッチングを付した大丸４０７は水素が結合していないマグネシウムを表わしている。背景技術で説明したように、水素が結合していないマグネシウムは活性化されてキャリア（正孔）を供給するが、水素が結合したマグネシウムは非活性でありキャリアを供給しない。

次に、図４（ｂ）は、室温状態であってもその熱エネルギーによって、またはレーザ光等の光励起によって、マグネシウムと水素との多数の結合のうちの一部が解離し、白抜きの小丸４０８で示される解離した水素イオン（Ｈ^＋）が生じた状態を表わしている。水素が解離したマグネシウムは活性化され、ハッチングを付した大丸４０７となる。半導体レーザ素子を順方向駆動すると、ｐ側電極４０４には正のバイアス電圧が印加されるため、解離した水素イオンはコンタクト層４０３からオーバーフロー抑制層４０１に向かって泳動し、泳動した先で再度、他のマグネシウムと結合する。これが図４（ｃ）に示す状態である。

図４（ａ）と図４（ｃ）とを比較すれば明らかなように、順方向駆動によってコンタクト層４０３の水素は減少し、一方、オーバーフロー抑制層４０１の水素は増加する。すなわち、コンタクト層４０３のキャリア濃度は高くなり、オーバーフロー抑制層４０１のキャリア濃度は低くなる。

オーバーフロー抑制層４０１においてキャリア濃度が低くなると、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す機構によって、半導体レーザ素子の光出力特性が劣化する。図５（ａ）及び図５（ｂ）は半導体レーザチップのエネルギーバンド図であり、井戸層５０１及び障壁層５０２よりなる多重量子井戸活性層５０３、第２ガイド層５０４、オーバーフロー抑制層５０５及びｐ型クラッド層５０６を示している。ｐ型クラッド層５０６は、実際にはＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ／ＧａＮ超格子であるが、ここでの説明には影響しないため、簡単のため平均組成を有するＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎであるとしている。ここで、図５（ａ）はオーバーフロー抑制層５０５のキャリア濃度が高い初期状態を表わしており、図５（ｂ）はオーバーフロー抑制層５０５が水素の移動によってそのキャリア濃度が低くなった状態を表わしている。

図５（ａ）に示すように、順方向駆動において、活性層５０３には電子５０７及び正孔５０８が蓄積され、オーバーフロー抑制層５０５は、その名称の通り電子５０７のオーバーフローを抑制する層として機能している。しかしながら、オーバーフロー抑制層５０５は、水素の移動によってキャリア濃度が低くなった図５（ｂ）の状態においては、オーバーフローを抑制する効果が減衰してしまう結果、電子のオーバーフロー量が多くなる。すなわち、発光に寄与しない無効電流が増加して、活性層５０３の内部量子効率が低下する。

ここで、図４及び図５を用いて説明した内容を要約すると、窒化物半導体レーザ素子を順方向駆動によりエージングすると、ｐ型窒化物半導体層中で水素の移動が起こり、オーバーフロー抑制層のキャリア濃度が低下する。その結果、活性層の内部量子効率が低下することになる。

なお、半導体レーザチップにオーバーフロー抑制層５０５を設けない場合であっても、水素の移動によって、ｐ型クラッド層５０６における第２ガイド層５０４との近傍部分のキャリア濃度が低下すると、電子のオーバーフロー量が増大するため、発光に寄与しない無効電流が増大するという現象は生じる。すなわち、水素の移動によって活性層５０３の内部量子効率が低下するという現象は、オーバーフロー抑制層５０５を設けた場合にはより顕著となるものの、オーバーフロー抑制層５０５を設けない場合であっても起こり得る。さらに、オーバーフロー抑制層５０５の有無に拘わらず、活性層５０３の近傍に位置するｐ型半導体層のキャリア濃度が低下すると、該ｐ型半導体層の抵抗値が高くなるため、発熱量が局所的に増大する。この現象もまた、活性層５０３の内部量子効率を低下させる要因となる。

図４及び図５を用いて説明した内容は、図３に示した第２の条件でエージングした結果と良く合致する。すなわち、順方向駆動動作のみを行うと、水素の移動によって最終的に活性層の内部量子効率が低下するため、閾値電流が増大する。また、水素の移動によってオーバーフロー抑制層のキャリア濃度が低下すると、電子のオーバーフロー量が増えるため、立ち上り電圧が若干低下するという実験結果に符合する。これに対し、本発明のように、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換えて行った場合は、図４の機構による水素の移動が往復の双方向となるため、実質的に抑制される。これにより、閾値電流の増大及び立ち上り電圧の低下は、順方向駆動動作のみを行った場合と比べて小さくなる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を用いて説明する。

図６は本発明の第２の実施形態に係る光ピックアップ装置の構成を概念的に示している。図６に示すように、第２の実施形態に係る光ピックアップ装置６０１は、本発明に係る半導体光源装置であるレーザホログラムユニット６０２を有している。

レーザホログラムユニット６０２は、例えば図２に示した半導体レーザチップ２０１を含む半導体レーザ素子６０３と、受光素子６０４と、ホログラム素子６０５と、半導体レーザ素子６０３の近傍に設けられた薄膜抵抗加熱器６１１とにより構成されている。

半導体レーザ素子６０３から水平方向（ホログラム素子６０５に対して平行な方向）に出射されたレーザ光６０６は、立ち上げミラー６０７によってホログラム素子６０５に対して垂直な方向に向きを変えられ、ホログラム素子６０５を透過する。ホログラム素子６０５を透過したレーザ光６０６は、対物レンズ６０８によって光ディスク６０９上に集光される。さらに、光ディスク６０９で反射された反射光６１０は、ホログラム素子６０５によって回折され、回折された回折光は受光素子６０４で受光される。ここで、半導体レーザ素子６０３は、次の図７及び図８を用いて説明する駆動回路（図６では図示せず）によって駆動される。

なお、半導体レーザ素子６０３を加熱するための薄膜抵抗加熱器６１１は、所定の動作モードで逆方向駆動動作を行う場合に用いる。

図７（ａ）〜図７（ｄ）は駆動回路の動作図であり、半導体レーザ素子６０３を流れる駆動電流の時間的変化を示す。

図７（ａ）は比較用として従来の駆動方法を示しており、再生期間７０１においては、例えば３０ｍＡの直流電流によって半導体レーザ素子６０３を駆動する。このとき、半導体レーザ素子６０３からはパワー（電力）が一定のレーザ光６０６が出射され、受光素子６０４は光ディスク６０９上に記録されたデータに対応した再生信号を検出する。

記録期間７０２においては、例えばピーク値１００ｍＡのパルス電流で半導体レーザ素子６０３を駆動し、パルス電流で変調されたレーザ光６０５によって光ディスク６０９上に所定のデータを記録する。さらに、アイドリング期間７０３においては、再生も記録も行われず、従って駆動電流は供給されない。

図７（ａ）に示す従来の駆動方法に対して、本発明に係る逆方向駆動動作を適用する場合は、図７（ｂ）〜図７（ｄ）に示す３通りの方法がある。

まず、図７（ｂ）に示す第１の駆動方法は、再生期間７０１に半導体レーザ素子６０３を直流駆動に代えてパルス駆動とする。このパルス駆動時に、順方向駆動動作と逆方向駆動度動作とを交互に繰返す。この場合、順方向駆動動作時の電流値はレーザ光６０５の平均パワーが直流駆動時と同等となるように設定する。また、逆方向駆動動作においては、例えば最大印加電圧が１０Ｖで且つ逆方向最大電流が１０μＡの駆動を行う。順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを繰返す周期は、受光素子６０４が検出する再生信号の周期よりも十分に短くする。このような、再生期間中に半導体レーザ素子６０３を高周波パルスにより駆動することは、半導体レーザ素子６０３を低雑音化する高周波の重畳処理と同様である。すなわち、再生期間中に順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを短い周期で繰り返すと、半導体レーザ素子６０３の劣化が抑制されるのみならず、高周波の重畳により低雑音化の効果をも得ることができる。

次に、図７（ｃ）に示す第２の駆動方法は、記録期間７０２においては従来の駆動方法であっても、光ディスク上に記録されるデータ（「０」又は「１」の２値信号）に対応して半導体レーザ素子６０３の出力がオン又はオフされる。このパルス駆動における半導体レーザ素子６０３の出力のオフ時に、電流を０にするだけでなく逆方向バイアスを印加すれば、本発明の作用及び効果を得ることができる。ここで、逆方向バイアスは、例えば最大印加電圧を１０Ｖとし、逆方向最大電流を１０μＡとする。これにより、記録期間中に順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換えて行うことができる。半導体レーザ素子６０３は、一般に記録時には再生時よりも高い出力パワーで駆動することから、記録期間中に逆方向駆動動作を行うことは、劣化の抑制により効果的である。なお、半導体レーザ素子６０３をパルス駆動する際に、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを直接に切り換えると、駆動電流波形に過大なオーバーシュートを生じるおそれがある。これを防ぐには、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを直接に切り換えるのではなく、図７（ｃ）に示すように、一旦、ゼロバイアスとする休止期間を設けることが有効である。

上記の再生期間７０１又は記録期間７０２に逆方向駆動動作を行う場合は、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とが短い周期で切り換えられるため、図６に示した薄膜抵抗加熱器６１１を使用した場合には、順方向駆動動作中も半導体レーザ素子６０３が加熱されることになる。一般に、半導体レーザ素子６０３の発振特性は温度上昇に伴なって劣化するため、順方向駆動動作中に半導体レーザ素子６０３を加熱することは望ましくない。しかしながら、加熱による劣化抑制効果（移動した水素の回復効果）をより重視する場合には、薄膜抵抗加熱器６１１によって半導体レーザ素子６０３を加熱してもよい。

次に、図７（ｄ）に示す第３の駆動方法は、アイドリング期間７０３に逆方向駆動動作を行う。光ピックアップ装置６０１の一般的な使用方法として、再生及び記録を行う期間は限られており、これ以外の期間に逆方向駆動動作を行えば、移動した水素を十分に時間をかけて回復することができる。さらに、第３の駆動方法は、薄膜抵抗加熱器６１１を用いるとより効果的である。マグネシウム（Ｍｇ）と水素（Ｈ）との解離にレーザ光による励起が寄与しているとすると、長時間連続して逆方向駆動動作を行う場合にはレーザ光が生成されないため、ＭｇとＨとの解離が生じにくくなる。これを補償するために、逆方向駆動動作時に、薄膜抵抗加熱器６１１により半導体レーザ素子６０３を加熱すれば、熱エネルギーによるＭｇとＨとの解離が促進されるため、水素を元の方向に移動させる効果が高まる。

以上、光ピックアップ装置６０１に用いられる半導体レーザ素子６０３に対して逆方向駆動動作を行う３つの駆動方法について説明したが、３つのうちのいずれか２つの駆動方法を組み合わせてもよく、また、３つの駆動方法のすべてを実施すれば、さらに半導体レーザ素子６０３の劣化の抑制に効果的である。

ところで、再生期間７０１又は記録期間７０２に逆方向駆動動作を行う場合は、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを短い周期で切り換える必要がある。これに適した駆動回路を図８に示す。

図８に示すように、順方向駆動動作時は、半導体レーザ素子８０１にｐｎｐ型の順方向駆動トランジスタ８０２によってバイアス電流が供給される。順方向駆動トランジスタ８０２のコレクタ電流は、第１の定電流回路８０３によって制御され、該第１の定電流回路８０３の電流値は、第１の電流制御端子８０４からの信号により制御される。図８には示していないが、実際には半導体レーザ素子８０１からの出力光パワーをモニタ（検出）し、これが所定の値となるように制御する自動パワー制御（automatic power control:ＡＰＣ）回路からの信号が第１の電流制御端子８０４に入力される。

順方向駆動トランジスタ８０２が半導体レーザ素子８０１にバイアス電流を供給するか否かは、ｎｐｎ型の第１のスイッチトランジスタ８０５及び第２のスイッチトランジスタ８０６によって制御される。第１のスイッチトランジスタ８０５及び第２のスイッチトランジスタ８０６におけるベース電流は、第１のスイッチ制御端子８０７に印加される電圧を第１のバイアス抵抗器８０８及び第２のバイアス抵抗器８０９の分圧により制御される。

以上説明した順方向駆動回路と同一構成の回路が、半導体レーザ素子８０１のｐ側電極とｎ側電極とに逆方向に接続され、逆方向駆動回路を構成している。すなわち、半導体レーザ素子８０１には、逆方向駆動トランジスタ８１０によって逆方向バイアス電流が印加される。逆方向駆動トランジスタ８１０のコレクタ電流は、第２の定電流回路８１１によって制御され、該第２の定電流回路８１１の電流値は、第２の電流制御端子８１２からの信号により制御される。逆方向駆動トランジスタ８１０が半導体レーザ素子８０１に逆方向バイアス電流を印加するか否かは、第３のスイッチトランジスタ８１３及び第４のスイッチトランジスタ８１４によって制御される。第３のスイッチトランジスタ８１３及び第４のスイッチトランジスタ８１４におけるベース電流は、第２のスイッチ制御端子８１５に印加される電圧を第３のバイアス抵抗器８１６及び第４のバイアス抵抗８１７の分圧により制御される。

以上説明した駆動回路において、順方向駆動動作を行う際には、第１のスイッチ制御端子８０７にハイレベル信号を入力すると共に、第２のスイッチ制御端子８１５にローレベル信号を入力する。また、逆方向駆動動作を行う際には、第１のスイッチ制御端子８０７にローレベル信号を入力すると共に、第２のスイッチ制御端子８１５にハイレベル信号を入力する。順方向駆動動作時に半導体レーザ素子８０１に供給されるバイアス電流は、再生動作及び記録動作のそれぞれに必要な出力パワーの設定に基づくＡＰＣ回路からの信号を第１の電流制御端子８０４に入力することで決定される。また、逆方向駆動時に印加される逆方向バイアスは、例えば１０μＡとなるように第２の電流制御端子８１２の入力レベルを制御する。逆方向駆動時に印加される最大電圧は、電源端子８１８に接続される電源の電圧で規制される。なお、電源をＤＣ−ＤＣコンバータとし、順方向駆動時と逆方向駆動時とで異なる電源電圧を用いるようにすれば、駆動回路の消費電力の低減に有効である。

第２の実施形態においては、本発明に係る半導体光源装置が光ピックアップ装置６０１を構成するレーザホログラムユニット６０２であり、組み合わせて実施可能な３通りの逆方向駆動動作を説明した。図７（ｂ）で説明したように、再生期間７０１に順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを短い周期で繰り返すと、半導体レーザ素子６０３の劣化が抑制されるのみならず、低雑音化の効果をも得ることができる。また、図７（ｃ）で説明したように、記録期間７０２に逆方向駆動動作を行うことは、記録時には再生時よりも高い出力パワーで半導体レーザ素子６０３を駆動することから、劣化抑制により効果的である。また、図７（ｄ）で説明したように、再生期間７０１及び記録期間７０２以外のアイドリング期間７０３に逆方向駆動動作を行えば、移動した水素の回復を十分に時間をかけて行うことができるため、例えば薄膜抵抗加熱器６１１を用いて半導体レーザ素子６０３を加熱しながら逆方向駆動動作を行うと、より効果が大きい。

また、図８に示す駆動回路は、図１に示した連動スイッチ対１０５がトランジスタ回路として実現されており、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを短い周期で切り換えることが可能である。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を用いて説明する。

図９は本発明の第３の実施形態に係る半導体光源装置であって、固体照明装置の構成を概念的に示している。

図９に示すように、第３の実施形態に係る半導体光源装置は、台座（マウント）９０１と、台座９０１の上に固着された半導体レーザ素子９０２と、台座９０１における半導体レーザ素子９０２の固着部分の下側に形成された空洞部の上部に第１の配線金属９０９及び第２の配線金属９１０を介して固着されたチップ状の駆動回路９１１と、台座９０１の上部であって半導体レーザ素子９０２の固着部分の側方の領域に形成された凹部の斜面上に固着された拡散反射板９０４と、該拡散反射板９０４及び半導体レーザ素子９０２の前部を含め台座９０１の凹部を覆うように形成された、蛍光体９０６を含む封止樹脂材９１２とから構成されている。

半導体レーザ素子９０２は、例えば図２に示した半導体レーザチップ２０１と同等の構造を有している。但し、第３の実施形態においては、半導体レーザ素子９０２の発振波長を紫外域とするため、窒化物半導体層の各層の組成を以下のように設定している。例えば、ｎ型クラッド層２０３の組成はＡｌ_０．１８Ｇａ_０．８２Ｎとし、第１ガイド層２０４の組成はＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎとし、多重量子井戸活性層２０５の構成はＧａ_０．９９Ｉｎ_０．０１Ｎよりなる井戸層とＡｌ_０．０９Ｇａ_０．９１Ｎよりなる障壁層との積層構造とし、第２ガイド層２０６の組成はＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎとし、オーバーフロー抑制層２０７の組成はＡｌ_０．４２Ｇａ_０．５８Ｎとし、ｐ型クラッド層２０８の構成はＡｌ_０．３６Ｇａ_０．６４Ｎ／ＧａＮ超格子とする。

半導体レーザ素子９０２のｐ側電極及びｎ側電極は、ボンディングワイヤ９０８及び第１の配線金属９０９、又は第２の配線金属９１０を介して駆動回路９１１とそれぞれ接続されている。

半導体レーザ素子９０２から出射された紫外レーザ光９０３は拡散反射板９０４によって反射され、紫外散乱光９０５として上方に出力される。出力された紫外レーザ光９０３及び紫外散乱光９０５により、封止樹脂材９１２に添加された蛍光体９０６が励起されて可視光９０７が生成されて外部に出力される。

なお、駆動回路９１１は、図８に示したような電子回路のみで構成されていてもよく、また、図１に示したように、連動スイッチ対にメカニカルスイッチを用いたハイブリッド構成であってもよい。

第３の実施形態に係る半導体レーザ素子９０２は、駆動回路９１１により、順方向駆動動作と逆方向駆動動作とを切り換えながら駆動される。この切り換え方法には以下の２つの駆動方法がある。

第１の駆動方法は、駆動回路９１１を電子回路のみで構成し、切り換え周波数を電灯線の商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）以上とする方法である。この方法によると、半導体レーザ素子９０２からの平均出力が可視光として利用される。切り換え周波数を電灯線の商用周波数とすれば、照明としてのちらつきは旧来の蛍光灯と同程度である。また、商用周波数よりも十分に高い周波数で切り換えることにより、旧来のインバータ付き蛍光灯と同様のちらつきがない照明とすることも可能である。

第２の駆動方法は、固体照明装置をオフ状態としている期間に逆方向駆動動作を行う方法である。一般的な照明を考えれば、昼間は消灯していることが多いため、消灯している間に逆方向駆動動作を行えば、移動した水素の回復を十分に時間をかけて行うことができる。なお、第２の駆動方法を用いる場合は、駆動回路９１１として連動スイッチ対をメカニカルスイッチとした図１の構成とすることもできる。

さらに、図１に示した第１の定電流回路１０４及び第２の定電流回路１０８に定電流ダイオードを用いれば、極めて簡単な回路構成で本発明の駆動回路９１１を構成することができるため、固体照明装置の低価格化に有効である。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る発光素子駆動回路について説明する。

本発明の第４の実施形態は、図１に示す駆動回路１０２又は図８に示す駆動回路である。これら発光素子用の駆動回路は、半導体レーザ素子と組み合わせて使用することにより、第１〜第３の各実施形態に記載した作用及び効果を奏するが、製品としては駆動回路単体でも存在し得る。特に、半導体レーザ素子の分野では、半導体レーザ素子の寿命を評価するためのエージング試験装置又は加速試験装置がよく用いられる。また、発光素子が発光ダイオードの場合は、該発光ダイオードを交換可能とした駆動回路のみの照明製品がある。

従って、半導体レーザ素子又は発光ダイオード等の発光素子自体を含まない駆動回路であっても、窒化物半導体よりなる発光素子を駆動し、逆方向駆動動作によって水素の移動による劣化を抑制する回路であれば、本願発明の一実施形態となる。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を用いて説明する。

図１０は本発明の第５の実施形態に係る、窒化物半導体よりなる発光ダイオードを用いた半導体光源装置であって、固体照明装置の回路構成を示している。

図１０に示すように、それぞれが複数の白色発光ダイオード１００１を直列に接続した第１の発光ダイオードユニット１００２と第２の発光ダイオードユニット１００３とが、交流電源（電灯線）１００４と接続されている。第１の発光ダイオードユニット１００２と第２の発光ダイオードユニット１００３とは、交流電源１００４から供給される正弦波電圧の半波ごとに交互に発光し、照明装置として機能する。

第１の発光ダイオードユニット１００２には、第１の整流ダイオード１００５及び第１の定電流ダイオード１００６が直列に接続されており、各発光ダイオード１００１及び第１の整流ダイオード１００５に対して順方向の正弦波電圧が印加されている期間に順方向駆動電流を各発光ダイオード１００１に供給してそれぞれを発光させる。

一方、第１の整流ダイオード１００５及び第１の定電流ダイオード１００６の直列対と並列に、第２の整流ダイオード１００７及び第２の定電流ダイオード１００８の直列対が接続されている。この第２の整流ダイオード１００７及び第２の定電流ダイオード１００８の直列対は、発光ダイオード１００１に対して逆方向の正弦波電圧が印加されている期間に逆方向駆動動作を行う。従って、これらの第１の整流ダイオード１００５及び第２の整流ダイオード１００７と、第１の定電流ダイオード１００６及び第２の定電流ダイオード１００８とよりなる回路が、第１の発光ダイオードユニット１００２に含まれる複数の発光ダイオード１００１に対する第１の駆動回路１００９である。ここで、第１の定電流ダイオード１００６と第２の定電流ダイオード１００８とは、共にノーマリオンの電界効果トランジスタのゲートとソースとを短絡させてなり、ドレインからソースに流れる電流が一定値で飽和することから、定電流ダイオードとして機能する。但し、第１の定電流ダイオード１００６と第２の定電流ダイオード１００８との飽和電流値は大きく異なる。順方向駆動に対応する第１の定電流ダイオード１００６の飽和電流値は数１０ｍＡから数１００ｍＡであるのに対し、逆方向駆動に対応する第２の定電流ダイオード１００８の飽和電流値は１０μＡ程度である。

第１の駆動回路１００９と同様に、第３の整流ダイオード１０１０及び第３の定電流ダイオード１０１１の直列対と、これに並列に接続された第４の整流ダイオード１０１２及び第４の定電流ダイオード１０１３の直列対とが、第２の駆動回路１０１４を構成する。第２の駆動回路１０１４は、第２の発光ダイオードユニット１００３に対して直列に接続されており、第２の発光ダイオードユニット１００３は、第１の発光ダイオードユニット１００２が逆方向駆動されている期間には順方向駆動され、逆に、順方向駆動されている期間には逆方向駆動されるという点を除き、第１の駆動回路１００９と同様に動作する。

ところで、第１の発光ダイオードユニット１００２及び第２の発光ダイオードユニット１００３は、１つのパッケージに実装されていてもよい。この場合は、各発光ダイオードユニット１００２、１００３に含まれるすべての発光ダイオード１００１を直列に接続し、その両端子及び中間部を外部端子と接続する構成とする。このように構成されたパッケージを、整流ダイオード及び定電流ダイオードからなる駆動回路に組み込む構成とすれば、発光ダイオードユニットのみからなるパッケージを交換可能とする構成を実現できる。

さらに、図１０に示されるすべての部品（交流電源１００４を除く）をモジュール化してもよい。この場合は、電球ソケットに取付け可能な外部端子を設けることにより、旧来の電球と交換可能な固体照明装置を実現できる。

なお、図１０に示した整流ダイオード及び定電流ダイオードからなる発光素子用の駆動回路は、あくまでも駆動回路の一例である。発光ダイオードを発光させるために順方向電流を供給する順方向駆動回路と、発光ダイオードに逆方向バイアスを印加する逆方向駆動回路と、発光ダイオードに流れる逆方向電流値を制限する定電流回路とを備えていることが本実施形態の本旨であり、これらの構成要素によって本発明の作用及び効果を奏することができる。

本発明に係る半導体光源装置は、水素による劣化機構が抑制された信頼性が高い窒化物発光素子を備えており、光ピックアップ装置又は固体照明装置等として有用である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体光源装置を示す構成ブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体光源装置に用いられる半導体レーザチップを示す構成断面図である。（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光源装置に用いられる半導体レーザ素子の動作特性図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光源装置に用いられる半導体レーザ素子の劣化機構を説明する模式的な断面図である。（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体光源装置に用いられる半導体レーザ素子におけるエネルギーバンド図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体光源装置を示す構成概念図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体光源装置に用いられる駆動回路の動作を説明する動作図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体光源装置に用いられる駆動回路を示す回路図である。本発明の第３の実施形態に係る半導体光源装置を示す構成概念図である。本発明の第５の実施形態に係る半導体光源装置を示す回路図である。従来の半導体レーザチップを示す断面図である。

符号の説明

１０１半導体レーザ素子
１０２駆動回路
１０３直流電圧源
１０４第１の定電流回路
１０５連動スイッチ対
１０６第１のスイッチ
１０７第２のスイッチ
１０８第２の定電流回路
２０１半導体レーザチップ
２０２基板
２０３ｎ型クラッド層
２０４第１ガイド層
２０５多重量子井戸活性層
２０６第２ガイド層
２０７オーバーフロー抑制層
２０８ｐ型クラッド層
２０９コンタクト層
２１０絶縁膜
２１１ｐ側電極
２１２ｎ側電極
４０１オーバーフロー抑制層
４０２ｐ型クラッド層
４０３コンタクト層
４０４ｐ側電極
４０５水素
４０６マグネシウム（水素が結合した）
４０７マグネシウム
４０８水素イオン
５０１井戸層
５０２障壁層
５０３多重量子井戸活性層
５０４第２ガイド層
５０５オーバーフロー抑制層
５０６ｐ型クラッド層
５０７電子
５０８正孔
６０１光ピックアップ装置
６０２レーザホログラムユニット
６０３半導体レーザ素子
６０４受光素子
６０５ホログラム素子
６０６レーザ光
６０７立ち上げミラー
６０８対物レンズ
６０９光ディスク
６１０反射光
６１１薄膜抵抗加熱器
７０１再生期間
７０２記録期間
７０３アイドリング期間
８０１半導体レーザ素子
８０２順方向駆動トランジスタ
８０３第１の定電流回路
８０４第１の電流制御端子
８０５第１のスイッチトランジスタ
８０６第２のスイッチトランジスタ
８０７第１のスイッチ制御端子
８０８第１のバイアス抵抗器
８０９第２のバイアス抵抗器
８１０逆方向駆動トランジスタ
８１１第２の定電流回路
８１２第２の電流制御端子
８１３第３のスイッチトランジスタ
８１４第４のスイッチトランジスタ
８１５第２のスイッチ制御端子
８１６第３のバイアス抵抗器
８１７第４のバイアス抵抗
８１８電源端子
９０１台座
９０２半導体レーザ素子
９０３紫外レーザ光
９０４拡散反射板
９０５紫外散乱光
９０６蛍光体
９０７可視光
９０８ボンディングワイヤ
９０９第１の配線金属
９１０第２の配線金属
９１１駆動回路
９１２封止樹脂材
１００１白色発光ダイオード
１００２第１の発光ダイオードユニット
１００３第２の発光ダイオードユニット
１００４交流電源
１００５第１の整流ダイオード
１００６第１の定電流ダイオード
１００７第２の整流ダイオード
１００８第２の定電流ダイオード
１００９駆動回路
１０１０第３の整流ダイオード
１０１１第３の定電流ダイオード
１０１２第４の整流ダイオード
１０１３第４の定電流ダイオード
１０１４第２の駆動回路

Claims

窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザ素子から出射され、光ディスクによって反射されたレーザ光を受光する受光素子とを備え、
前記駆動回路は、
前記半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、前記半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動動作と、前記半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、
前記逆方向駆動動作を行う逆方向駆動期間は、前記順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に設けられ、
前記順方向駆動動作と前記逆方向駆動動作とを切り換える切り換え周期は、前記光ディスク上に記録されたデータに対応して前記受光素子によって検出される再生信号の周期よりも短い半導体光源装置。
窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザ素子から出射され、光ディスクによって反射されたレーザ光を受光する受光素子とを備え、
前記駆動回路は、
前記半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、前記半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動動作と、前記半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、
前記逆方向駆動動作を行う逆方向駆動期間は、前記順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に設けられ、
前記光ディスク上に記録するデータに対応して前記順方向駆動動作と前記逆方向駆動動作とを切り換えることにより、前記光ディスク上に前記データを記録する半導体光源装置。
窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザ素子から出射され、光ディスクによって反射されたレーザ光を受光する受光素子とを備え、
前記駆動回路は、
前記半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、前記半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動動作と、前記半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、
前記逆方向駆動動作を行う逆方向駆動期間は、前記順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に設けられ、
前記光ディスク上に記録されたデータを再生する期間及び前記光ディスク上に他のデータを記録する期間以外の期間に、前記逆方向駆動動作を行う半導体光源装置。
請求項３において、
前記半導体レーザ素子を加熱する加熱器をさらに備え、
前記レーザオフ期間内には、前記加熱器によって前記半導体レーザ素子が加熱される加熱期間が設けられ、
前記加熱期間と前記逆方向駆動期間とは互いに重なり合う半導体光源装置。
窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光によって励起される蛍光体とを備え、
前記駆動回路は、
前記半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、前記半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動動作と、前記半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、
前記逆方向駆動動作を行う逆方向駆動期間は、前記順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に設けられ、
前記順方向駆動動作と前記逆方向駆動動作とを切り換える切り換え周波数は、電灯線の商用周波数以上である半導体光源装置。
窒化物半導体よりなる複数の半導体層を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子を駆動する駆動回路と、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光によって励起される蛍光体とを備え、
前記駆動回路は、
前記半導体レーザ素子に順方向電流を供給することにより、前記半導体レーザ素子を発振させる順方向駆動動作と、前記半導体レーザ素子に逆方向バイアスを印加する逆方向駆動動作とを行い、
前記逆方向駆動動作を行う逆方向駆動期間は、前記順方向駆動動作を行わないレーザオフ期間内に設けられ、
前記蛍光体からの発光を利用する期間以外の期間に、前記逆方向駆動動作を行う半導体光源装置。